小功率機械摩擦式無級變速器結構設計【含圖紙】

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目 錄 摘要 7 Abstract: 8 第一章 緒論 9 §1.2 機械無級變速器的特征和應用 10 §1.3機械無級變速器的選用和潤滑密封 12 §1.4 本文的主要內容及要求 14 第二章 摩擦無級變速器的機械特性加壓裝置和調速機構 15 §2.1 機械特性 15 §2.2 調速操縱機構 16 §2.3 加壓裝置 17 第三章 摩擦式無級變速器設計說明和計算過程 18 §3.1 摩擦機械無級變速器的工作原理 18 §3.2 摩擦無級變速器的特點 19 §3.3 錐輪的設計與計算 19 §3.4 鋼環(huán)的設計與計算 23 1、鋼環(huán)尺寸和參數的確定 23 2、強度驗算 25 §3.5 軸系的設計 26 §3.6 軸的結構設計 27 第四章 主要零件的校核 29 §4.1 ．輸出，輸入軸的校核 29 §4.2 . 軸承的校核 30 總 結 31 致 謝 32 參考文獻資料 33 摩擦式機械無級變速器結構設計 摘要 在某種控制的作用下，使機器的輸出軸轉速可在兩個極值范圍內連續(xù)變化的無級變速器傳動隨著機械、材質及加工工藝的高速發(fā)展和其需求量日益增多而得到廣泛應用和發(fā)展。無級變速器的主動和從動兩根軸通過傳遞轉矩的中間介質（機械構件、流體、電磁流等）把兩根軸直接或間接地聯(lián)系起來并傳遞動力。當對主、從動軸的聯(lián)系關系進行控制時，則兩軸間的傳動比發(fā)生變化（在兩極值范圍內連續(xù)而任意地變化）。用機械構件作為中間介質的為機械無級變速器，其包括摩擦式和脈動式。無級變速器與定傳動比傳動及有級變速傳動（它只有有限的幾種傳動比）相比，其優(yōu)點是能夠根據工作需要在一定范圍內連續(xù)變換速度，以適應輸出轉速和外界負載變化的要求，摩擦式機械無級變速器依靠傳動元件之間的摩擦進行傳動，鋼材材質、加工工藝水平和潤滑油料品質等因素是摩擦式機械式無級變速器不斷發(fā)展的重要保證。本文通過查閱相關的諸多文獻和書籍手冊等進行鋼環(huán)式無級變速器原理及其結構、變速原理的傳動結構的實現(xiàn)的研究，并對摩擦式機械無級變速器進行結構設計，可直接作為設計文件或指導文件進行生產加工。 關鍵詞：無級變速器；摩擦式；傳動；潤滑； The structure design of CVT machine of friction type Abstract: Under the action of some kind of control which can make the output of the machine spindle speed in two extreme CVT within the framework of the continuous variation of the transmission with the high-speed development of machinery, materials and processing technology and its demand is growing and is widely used and CVT transmission of the driving and driven by passing two shaft torque in the middle of the medium (mechanical components, fluid, electromagnetic flow, etc.), the two shaft linked directly or indirectly, and transfer power.When were related to the Lord, driven shaft to control, is the ratio between the two axis change (within the scope of the two extreme consecutive and arbitrarily change).With mechanical components as a medium for mechanical CVT, among which include friction and pulsation.CVT and constant transmission ratio transmission and continuously variable transmission (it's only a limited number of transmission ratio), compared to its advantage is the ability to work according to the need to continuous transformation rate within a certain scope, to adapt the demand of output speed and external load, the friction type CVT depend on mechanical transmission device for transmission, the friction between the steel material, processing technology level and the quality of lubricating oil is factors such as friction type mechanical stepless transmission the important guarantee of continuous development.This article through the consult literature and books, manuals, etc for the steel ring type stepless transmission principle and structure, the realization of the principle of variable speed drive structure research, and the friction type mechanical CVT structure design, can be directly as a guide for design documents or files for production and processing. Keyword:CVT;Friction type;Transmission;Lubrication; 4 第一章 緒論 §1.1機械無級變速器的發(fā)展背景及現(xiàn)狀 無級變速器在輸入轉速不變的情況下，能實現(xiàn)輸出軸的轉速在一定范圍內連續(xù)變化，以滿足機器或生產系統(tǒng)在運轉過程中各種不同工況的要求；其結構特征主要是由變速傳動機構、調速機構以及加壓裝置或輸出機構三部分組成，無級變速器分為機械無級變速器，液壓傳動無級變速器，電力傳動無級變速器三種。本設計任務要求把無級變速器安裝在自行車上，采用機械無級變速器，本文主要介紹機械無級變速器的發(fā)展概況。 機械無級變速器最早是出現(xiàn)在十九世紀九十年代，到二十世紀三十年代逐漸開始發(fā)展起來，由于材質與工藝等方面的技術發(fā)展緩慢導致了無級變速也發(fā)展遲緩，隨著現(xiàn)代科學技術的高速發(fā)展，尤其是七十年代以后，隨著先進的冶煉和熱處理技術，精密加工和數控機床技術以及牽引傳動理論與高品質油的出現(xiàn)和發(fā)展，解決了許多研制和生產無級變速器的限制因素，同時，生產工藝流程實現(xiàn)機械化、自動化以及機械工作性能的改進，都促進了無級變速器的快速發(fā)展，在不同的領域，大量機器設備需要采用無級變速，尤其在汽車行業(yè)需求更為突出，因此，機械無級變速器得到廣泛迅速的發(fā)展。國內無級變速器大約在二十世紀六十年代前后起步，當時主要是作為專業(yè)機械配套零部件，用于專業(yè)機械廠進行仿制和生產，如用于紡織機械的齒鏈式，化工機械的多盤式以及切削機床的Kopp型無級變速器等，但品種規(guī)格不多，產量不大，年產量僅數千臺。直至八十年代中期以后，隨著國外先進設備的大量引進，工業(yè)生產現(xiàn)代化及自動流水線的迅速發(fā)展，對各種類型機械無級變速器的需求大幅度增加，專業(yè)廠才開始建立并進行規(guī)?；a，一些高等院校也開展了該領域的研究工作，又經過二三十年的發(fā)展，由于真空冶煉技術的應用、超精密工藝的日臻完善以及潤滑油料摩擦特性方面的改進，使得機械無級變速器已經系列化生產，并以通過部件的形式供應于市場，近十年來，由于能源危機的出現(xiàn)，人們對機械無級變速器在交通運輸工具上應用又進行了大量的研究，并取得了一定的成效。 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)設計說明書 題 目：小功率機械摩擦式無級變速器結構設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 2010963019 姓 名： 凌鵬 指導教師： 邱愛紅 完成日期： 2014年5月29日  湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）任務書 論文（設計）題目： 小功率機械摩擦式無級變速器結構設計 學號： 2010963019 姓名： 凌鵬 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 邱愛紅 系主任： 劉伯希 一、主要內容及基本要求 1、設計一種以鋼環(huán)作為中間元件的機械摩擦式無級變速器； 2、輸入功率P=1.5kw，輸入轉速n=1400rpm，調速范圍R=9； 3、完成裝配圖A0#1張，零件圖總量不少于A0#1張； 4、設計計算說明書一份； 5、英文文獻翻譯一份，不少于3000Words。 二、重點研究的問題 1、鋼環(huán)式無級變速器原理及其結構； 2、變速原理的傳動結構的實現(xiàn)。 三、進度安排 序號 各階段完成的內容 完成時間 1 熟悉課題及基礎資料 第1周 2 調研及收集資料 第2周 3 方案設計與討論 第3～4周 4 無級變速器布局設計 第5周 5 無級變速器總裝配圖設計 第6~9周 6 無級變速器零件圖設計 第10周 7 撰寫說明書 第11周 8 英文文獻翻譯，答辯 第12周 四、應收集的資料及主要參考文獻 [1] 阮忠唐. 機械無級變速器[M]. 機械工業(yè)出版社. [2] 阮忠唐.機械無級變速器設計與選用指南[M].化學工業(yè)出版社. [3] 徐灝.機械設計手冊第3卷[M].機械工業(yè)出版社. [4] 毛謙德.袖珍機械設計師手冊第3版[M].機械工業(yè)出版社. [5] 機械設計手冊新版第2卷[M].機械工業(yè)出版社. 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）評閱表 學號 2010963019 姓名 凌鵬 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計）題目： 小功率機械摩擦式無級變速器結構設計 評價項目 評 價 內 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的； 2.難度、份量是否適當； 3.是否與生產、科研、社會等實際相結合。 能力 1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應用能力； 5.工科是否有經濟分析能力。 論文 （設計）質量 1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 該論文符合培養(yǎng)目標，基本達到學科、專業(yè)特點的基本要求和綜合訓練的目的；難度、份量適當，具有一定的查閱文獻和綜合歸納資料的能力；立論較為正確，符號統(tǒng)一，文字、圖表格式一致，程序表述較為規(guī)范。但 綜合概況能力一般；論文內容有一定的參考意義，但創(chuàng)新之處和實際應用 中仍需探討。工作量較為飽滿，論文篇幅、圖紙等基本達到要求。 評閱人： 年 月 日 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）鑒定意見 學號：2010963019 姓名： 凌鵬 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 28 頁 圖 表 7 張 論文（設計）題目： 小功率機械摩擦式無級變速器結構設計 內容提要： 設計一種以鋼環(huán)作為中間元件的機械摩擦式無級變速器，比較和選擇合適的方案 并進行摩擦式無級變速器的計算和結構設計。設計參數：輸入功率P=1.5kw，輸入轉速 n=1400rpm，調速范圍R=9。設計要求：安裝拆卸要方便，外觀勻稱，美觀，調節(jié)要靈 活，調速過程中不能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象；能實現(xiàn)動態(tài)無級調速。對關鍵部位進行強度和壽 命校核。 這種變速器的主要結構是在兩根平行的軸上分別裝在兩對可分離錐輪，一個沒有 支承的鋼環(huán)緊套在兩隊錐輪之間，依靠鋼環(huán)與錐輪之間的摩擦力將輸入軸的動力經輸 出軸輸出。鋼環(huán)分離錐式無級變速器中鋼環(huán)具有自動加壓作用，可以對稱調速，而且 其機械特性近視與恒功率特性。調速時，轉動手輪由小齒輪帶動調節(jié)套上的齒條，使 調節(jié)套向右移動，通過拉桿使錐輪的支承套帶動錐輪也向右同步移動，這樣使主動側 錐輪的工作直徑Di增大（減?。鴱膭觽儒F輪的工作直徑D2減少（增大），從而達 到變速的目的。 指導教師評語 該生在本次畢業(yè)設計中表現(xiàn)出基礎知識較扎實、獨立工作能力較強。計算機操作較熟練。勞動紀律性較強，工作較認真。能如期完成設計任務，設計方案基本正確，圖面質量較好，結構尚合理。設計說明書撰寫較認真，具有一定的專業(yè)英文文獻閱讀與翻譯能力。同意其參加答辯。 建議成績評定為： 指導教師： 年 月 日 答辯簡要情況及評語 答辯小組組長： 年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任： 年 月 日 目 錄 摘要 7 Abstract: 8 第一章 緒論 9 §1.2 機械無級變速器的特征和應用 10 §1.3機械無級變速器的選用和潤滑密封 12 §1.4 本文的主要內容及要求 14 第二章 摩擦無級變速器的機械特性加壓裝置和調速機構 15 §2.1 機械特性 15 §2.2 調速操縱機構 16 §2.3 加壓裝置 17 第三章 摩擦式無級變速器設計說明和計算過程 18 §3.1 摩擦機械無級變速器的工作原理 18 §3.2 摩擦無級變速器的特點 19 §3.3 錐輪的設計與計算 19 §3.4 鋼環(huán)的設計與計算 23 1、鋼環(huán)尺寸和參數的確定 23 2、強度驗算 25 §3.5 軸系的設計 26 §3.6 軸的結構設計 27 第四章 主要零件的校核 29 §4.1 ．輸出，輸入軸的校核 29 §4.2 . 軸承的校核 30 總 結 31 致 謝 32 參考文獻資料 33 摩擦式機械無級變速器結構設計 摘要 在某種控制的作用下，使機器的輸出軸轉速可在兩個極值范圍內連續(xù)變化的無級變速器傳動隨著機械、材質及加工工藝的高速發(fā)展和其需求量日益增多而得到廣泛應用和發(fā)展。無級變速器的主動和從動兩根軸通過傳遞轉矩的中間介質（機械構件、流體、電磁流等）把兩根軸直接或間接地聯(lián)系起來并傳遞動力。當對主、從動軸的聯(lián)系關系進行控制時，則兩軸間的傳動比發(fā)生變化（在兩極值范圍內連續(xù)而任意地變化）。用機械構件作為中間介質的為機械無級變速器，其包括摩擦式和脈動式。無級變速器與定傳動比傳動及有級變速傳動（它只有有限的幾種傳動比）相比，其優(yōu)點是能夠根據工作需要在一定范圍內連續(xù)變換速度，以適應輸出轉速和外界負載變化的要求，摩擦式機械無級變速器依靠傳動元件之間的摩擦進行傳動，鋼材材質、加工工藝水平和潤滑油料品質等因素是摩擦式機械式無級變速器不斷發(fā)展的重要保證。本文通過查閱相關的諸多文獻和書籍手冊等進行鋼環(huán)式無級變速器原理及其結構、變速原理的傳動結構的實現(xiàn)的研究，并對摩擦式機械無級變速器進行結構設計，可直接作為設計文件或指導文件進行生產加工。 關鍵詞：無級變速器；摩擦式；傳動；潤滑； The structure design of CVT machine of friction type Abstract: Under the action of some kind of control which can make the output of the machine spindle speed in two extreme CVT within the framework of the continuous variation of the transmission with the high-speed development of machinery, materials and processing technology and its demand is growing and is widely used and CVT transmission of the driving and driven by passing two shaft torque in the middle of the medium (mechanical components, fluid, electromagnetic flow, etc.), the two shaft linked directly or indirectly, and transfer power.When were related to the Lord, driven shaft to control, is the ratio between the two axis change (within the scope of the two extreme consecutive and arbitrarily change).With mechanical components as a medium for mechanical CVT, among which include friction and pulsation.CVT and constant transmission ratio transmission and continuously variable transmission (it's only a limited number of transmission ratio), compared to its advantage is the ability to work according to the need to continuous transformation rate within a certain scope, to adapt the demand of output speed and external load, the friction type CVT depend on mechanical transmission device for transmission, the friction between the steel material, processing technology level and the quality of lubricating oil is factors such as friction type mechanical stepless transmission the important guarantee of continuous development.This article through the consult literature and books, manuals, etc for the steel ring type stepless transmission principle and structure, the realization of the principle of variable speed drive structure research, and the friction type mechanical CVT structure design, can be directly as a guide for design documents or files for production and processing. Keyword:CVT;Friction type;Transmission;Lubrication; 38 第一章 緒論 §1.1機械無級變速器的發(fā)展背景及現(xiàn)狀 無級變速器在輸入轉速不變的情況下，能實現(xiàn)輸出軸的轉速在一定范圍內連續(xù)變化，以滿足機器或生產系統(tǒng)在運轉過程中各種不同工況的要求；其結構特征主要是由變速傳動機構、調速機構以及加壓裝置或輸出機構三部分組成，無級變速器分為機械無級變速器，液壓傳動無級變速器，電力傳動無級變速器三種。本設計任務要求把無級變速器安裝在自行車上，采用機械無級變速器，本文主要介紹機械無級變速器的發(fā)展概況。 機械無級變速器最早是出現(xiàn)在十九世紀九十年代，到二十世紀三十年代逐漸開始發(fā)展起來，由于材質與工藝等方面的技術發(fā)展緩慢導致了無級變速也發(fā)展遲緩，隨著現(xiàn)代科學技術的高速發(fā)展，尤其是七十年代以后，隨著先進的冶煉和熱處理技術，精密加工和數控機床技術以及牽引傳動理論與高品質油的出現(xiàn)和發(fā)展，解決了許多研制和生產無級變速器的限制因素，同時，生產工藝流程實現(xiàn)機械化、自動化以及機械工作性能的改進，都促進了無級變速器的快速發(fā)展，在不同的領域，大量機器設備需要采用無級變速，尤其在汽車行業(yè)需求更為突出，因此，機械無級變速器得到廣泛迅速的發(fā)展。國內無級變速器大約在二十世紀六十年代前后起步，當時主要是作為專業(yè)機械配套零部件，用于專業(yè)機械廠進行仿制和生產，如用于紡織機械的齒鏈式，化工機械的多盤式以及切削機床的Kopp型無級變速器等，但品種規(guī)格不多，產量不大，年產量僅數千臺。直至八十年代中期以后，隨著國外先進設備的大量引進，工業(yè)生產現(xiàn)代化及自動流水線的迅速發(fā)展，對各種類型機械無級變速器的需求大幅度增加，專業(yè)廠才開始建立并進行規(guī)模化生產，一些高等院校也開展了該領域的研究工作，又經過二三十年的發(fā)展，由于真空冶煉技術的應用、超精密工藝的日臻完善以及潤滑油料摩擦特性方面的改進，使得機械無級變速器已經系列化生產，并以通過部件的形式供應于市場，近十年來，由于能源危機的出現(xiàn)，人們對機械無級變速器在交通運輸工具上應用又進行了大量的研究，并取得了一定的成效。 摩擦式無級變速器是機械無級傳動系統(tǒng)中的常用部件之一，它依靠摩擦力傳遞轉矩和運動，所以它基本上由傳遞運動和動力的摩擦變速傳動機構、保證產生摩擦力所需的加壓裝置和實現(xiàn)變速的調速機構三部分組成。近年來摩擦式無級變速器在國外獲得了較快的發(fā)展，其傳動功率從幾十到幾千瓦，并可在接近于0~10000轉/分的輸出速度下工作，效率約為75%到95%，與傳統(tǒng)的齒輪傳動、鏈傳動及皮帶傳動相比，不僅可實現(xiàn)無級變速而且傳動零件的形狀比較簡單無需很高的精度因此加工費用較低，現(xiàn)已獲得人們普遍地重視。目前國內使用的摩擦式無級變速裝置大多屬于直接傳動式、中間元件式、行星傳動式三種類型：主、從動摩擦元件直接接觸傳動的直接傳動式，主、從動元件通過中間元件進行傳動的中間元件式，以及中間元件作行星運動的行星傳動式。調速結構則分為一元件相對于另一元件沿接觸面移動和轉動（或偏轉）兩種形式。因此，合理地設計傳動機構的結構和形式是提高傳動構件受力的均勻性和傳動平穩(wěn)性及效率的關鍵，其速比的變換則通過改變主動輪從動輪和中間構件三者的相對位置來獲得，這些摩擦式無級變速器的缺點主要是傳動效率低、運行中難以保持穩(wěn)定的速比、變速操作困難在高速運行時變速易使傳動零件過早的磨損以及對于低速大扭矩傳動傳動裝置的體積與重量較大。 目前對摩擦無級變速器的傳動機理研究得并不充分，有待深入研究。選擇和發(fā)展新的潤滑劑，以進一步提高摩擦拖動率；研究具體結構設計的合理性及其優(yōu)化問題，突破瓶頸，實現(xiàn)無級變速器新的突破，真正做到廣泛應用和產業(yè)化。 §1.2機械無級變速器的特征和應用 機械無級變速器是一種傳動裝置，其功能特征主要是：在輸入轉速不變的情況下，能實現(xiàn)輸出軸的轉速在一定范圍內連續(xù)變化，以滿足機器或生產系統(tǒng)在運轉過程中各種不同工況的要求；其結構特征主要是：需由變速傳動機構、調速機構及加壓裝置或輸出機構三部分組成。機械無級變速器傳動具有結構簡單、操縱方便、傳動效率高、恒功率特性好、噪聲低等優(yōu)點，因此，能適應變工況工作、簡化傳動方案，節(jié)約能源和減少環(huán)境污染等要求，在工業(yè)界受到越來越多的重視和采用。目前已經較多地應用于車輛、拖拉機和工程機械、船舶、機床、輕紡化工業(yè)機械、起重機械和試驗設備中。 CVT，它的優(yōu)點是重量輕，體積小，零件少，與AT比較具有較高的運行效率，油耗較低。但CVT的缺點也是明顯的，就是傳動帶很容易損壞，不能承受較大的載荷，只能限用于在一升排量左右的低功率和低扭矩汽車，因此在自動變速器占有率約4%以下。近年來經過各大汽車公司的大力研究，情況有所改善。CVT將是自動變速箱的發(fā)展方向。機械傳動的特點主要是：轉速穩(wěn)定，滑動率小，工作可靠，具有恒功率機械特性，傳動效率較高，而且結構簡單，維修方便，價格相對便宜；但零部件加工及潤滑要求較高，承載能力較低，抗過載及耐沖擊性較差，故一般適合于中、小功率傳動。機械無級變速器的適用范圍廣，有在驅動功率不變的情況下，因工作阻力變化而需要調節(jié)轉速以產生相應的驅動力矩者（如化工行業(yè)中的攪拌機械，即需要隨著攪拌物料的粘度、阻力增大而能相應減慢攪拌速度）；有根據工況要求需要調節(jié)速度者（如起重運輸機械要求隨物料及運行區(qū)段的變化而能相應改變提升或運行速度，食品機械中的烤干機或制藥機械要求隨著溫度變化而調節(jié)轉移速度）；有為獲得恒定的工作速度或張力而需要調節(jié)速度者（如斷面切削機床加工時需保持恒定的切削線速度，電工機械中的繞線機需保持恒定的卷繞速度，紡織機械中的漿紗機及輕工機械中的薄膜機皆需調節(jié)轉速以保證恒定的張力等）；有為適應整個系統(tǒng)中各種工況、工位、工序或單元的不同要求而需協(xié)調運轉速度以及需要配合自動控制者（如各種各樣半自動或自動的生產、操作或裝配流水線）；有為探求最佳效果而需變換速度者（如試驗機械或李心機需調速以獲得最佳分離效果）；有為節(jié)約能源而需進行調速者（如風機、水泵等）；此外，還有按各種規(guī)律的或不規(guī)律的變化而進行速度調節(jié)以及實現(xiàn)自動或程序控制等。 摩擦式無級變速器，它靠旋轉體間的接觸摩擦力來傳遞動力,通過改變輸入、輸出的作用半徑，連續(xù)地改變了傳動比。摩擦式機械無級變速器主要由壓緊的主動裝置、摩擦傳動機構、調速控制機構組成。帶錐度的主動輪和壓盤被一組碟形彈簧壓緊，輸入軸與主動輪用鍵聯(lián)接，而組成壓緊的主動裝置。一組帶錐度的行星摩擦輪內側夾在壓緊的主動輪和壓盤之間，外側夾在帶錐度的固定環(huán)和調速凸輪之間，而組成摩擦副；當壓緊的主動裝置運轉時，摩擦輪就做純滾動，由于固定環(huán)和調速凸輪不動，因此，摩擦輪在自轉的同時作公轉運轉，通過行星摩擦輪的中心軸及滑塊軸承而帶動行星架轉動。轉動手輪帶動調速凸輪改變角向位置的同時，調速凸輪的端面曲線經平面彈子夾和固定凸輪的端面曲線作用，使調速凸輪產生軸向移動，從而均勻改變調速凸輪和固定環(huán)之間的間隔，使錐度行星摩擦輪產生徑向移動。最后均勻地改變了行星摩擦輪與主動輪、壓盤及固定環(huán)、調速凸輪摩擦處的工作半徑，實現(xiàn)穩(wěn)定的無級變速。 摩擦式無級變速器傳動的工作能力主要取決于傳動元件和壓緊裝置的工作能力，其失效形式主要是傳動元件和加壓元件的疲勞點蝕、膠合、磨損及壓潰。摩擦式無級變速器的傳動元件及加壓元件均采用高硬度合金鋼制成，在潤滑充分的條件下工作。傳動元件之間為點接觸或線接觸，接觸點的位置在不斷地變化，因此，在這些接觸，通常發(fā)生與齒輪傳動相似的點上應力是屬于交變的接觸應力（通常高達1000~2500MPa）疲勞點蝕破壞和磨損，帶來的后果是傳動出現(xiàn)振動、沖擊和噪聲，最終導致不能工作。加壓元件上的接觸應力屬于靜應力或脈動應力，但由于結構尺寸的限制，其接觸應力值更高于傳動元件，因而其失效形式是表面壓潰（或塑性流動）和疲勞點蝕。 綜上所述，可以看出采用無級變速器，尤其是配合減速傳動時進一步擴大其變速范圍與輸出轉矩，能更好的適應各種工況要求，使之效能最佳，在提高產品的產量和質量，適應產品變換需要，節(jié)約能源，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的機械化、自動化等各方面皆具有顯著的效果。無級變速器目前已成為一種基本的通用傳動形式，應用于紡織、輕工、食品、包裝、化工、機床、電工、起重運輸礦山冶金、工程、農業(yè)、國防及試驗等各類機械。 §1.3機械無級變速器的選用和潤滑密封 一、機械無級變速器的選用 機械無級變速器的種類繁多，在設計和選用時，必須綜合考慮實際使用條件與變速器的結構和性能特點。使用條件包括：工作機械的變速范圍；最高速時所需的轉矩和功率；最常使用的轉速和轉矩；負載變動情況；使用時間（時/日）；升速與降速情況；啟、制動頻繁程度；有無正反向使用要求及其頻繁程度；換算到變速器輸出軸上的工作機械的轉動慣量等。對于變速器本身來說，主要是考慮其功率和運動特性，在仔細考慮了上述因素后，正確地選用無級變速器的尺寸、容量及類型。 ①.對于機械特性 選擇變速器的類型時，應首先明確機械本身在整個變速器范圍內對功率或轉矩的要求。然后結合各種無級變速器的功率（或轉矩）特性曲線進行選用。例如：機床的主傳動系統(tǒng)在全變速范圍內，傳動功率基本恒定，這時只能選用Kopp-K、Kopp-B、FU型和寬三角帶式無級變速器。對于機床的進給系統(tǒng)，則要求在相當寬的變速范圍內傳遞恒定轉矩，而不要求恒功率特性；這時可考慮采用OM、NS和RC型等變速器。當然，滿足恒功率使用要求的無級變速器亦可用于恒轉矩的使用場合。因為恒功率型無級變速器的變速范圍都比較小，遠不及恒轉矩型者，所以不適用機床進給系統(tǒng)。 ②.對于轉速特性 （1）轉速范圍：機械的工作轉速范圍也是選擇無級變速器類型的重要依據。因此，必須了解各種無級變速器的輸出轉速范圍，以免在機械傳動鏈中出現(xiàn)轉速猛降或者相反的不合理現(xiàn)象。 （2）運動平穩(wěn)性：脈動式和齒鏈式無級變速器的輸出角速度有一定的不均勻性，因而不適用于運動平穩(wěn)性要求的場合，如磨床主傳動系統(tǒng)。 ③.對于安裝場地要求 （1）由于各種機械無級變速器的結構和工作原理不同，因此，在相同的傳動功率情況下，其體積將有很大差異。分離傳動的機械對變速器沒有嚴格要求；而集中傳動時將十分重視體積問題，這就有必要了解各種無級變速器的功率容積比率。 （2）各種無級變速器的輸出軸與輸入軸線的相對位置有所不同。有的是同軸線的；有的兩軸平行并有一定距離要求；還有一些無級變速器的輸出軸于輸入軸是相交或交錯的；選用時應注意這些問題。 （3）某些機器要求變速器臥式安裝，而另一些機器則要求立式裝配，這時必須考慮無級變速器立式安裝的可能性。如齒鏈式、寬三角帶式無級變速器就不適合在軸線與地面呈垂直狀態(tài)下使用。 （4）某些使用場合，對清潔、塵埃問題要求十分嚴格。如果某種無級變速器從功率特性和轉速范圍考慮是適用的，但不能滿足清潔要求，則仍不可用，如開式帶式無級變速器由于帶的磨損將會污染環(huán)境。 ④.對于操作要求 （1）調速：少數無級變速器既可在停車時變速，也可在運轉過程中調速，而大多數無級變速器則只能在運轉過程中才能調速，在使用時，必須按操作要求進行工作。 （2）調速時間、手輪上使用的最大力矩。 （3）手輪轉動圈數與轉速變化之間的關系等。 ⑤.其它問題 如振動、噪聲、溫升、滑動率、空載功率以及遠距離自動控制的可能性等。 對于上述這些問題予以綜合考慮，根據我的功率、轉速、調速比等數據，選定鋼環(huán)式無級變速器。 二、機械無級變速器的潤滑與密封 ①.潤滑方式與潤滑油 a.潤滑方式 一般的金屬摩擦式無級變速器靠浸油飛濺潤滑。這種潤滑方式的優(yōu)點是無需另加潤滑裝置，結構簡單、工作可靠。但在啟動前必須檢查油位，停車時必須保證油位在標準線上。如果油量過多，則在運轉過程中會引起空載功率增大、油溫升高以至傳動力矩不足等現(xiàn)象。 b.潤滑油 機械無級變速器是按摩擦傳動的 實現(xiàn)調速并傳遞動力的，因此它所采用的潤滑油與普通的齒輪箱用油不同，必須按照原設計要求或說明書上的規(guī)定，采用專用無級變速器油。若用普通機油代替，則將不能使無級變速器充分發(fā)揮作用，甚至會降低使用壽命，因此，必須十分重視機械無級變速器使用的油液。1）傳遞動力在變速器結構參數已定的前提下，油的品質將成為機械能否正常運轉和滿足工作要求的關鍵。2）減輕摩擦部件的磨損 3）吸收、散發(fā)集積在摩擦部位的熱量4）清洗摩擦件表面 機械無級變速器傳動件的表面是經過精密加工的，工作過程如有灰塵或磨屑停留在工作表面上，將會很快損傷摩擦表面，必須依靠潤滑油將這些不清潔物及時排除。 對無級變速器專用油的要求:1）摩擦特性好；2）適當的粘度和粘度指數；3）剪切、氧化安定性好；4）抗泡性好；5）油膜強度高。 ②機械無級變速器的密封 要使機械無級變速器在長時期工作后，仍能保持原有的工作精度，必須有良好的密封裝置。對于開式傳動或只傳遞運動而受力極小的無級變速裝置來說，密封裝置的主要作用是保護軸承。閉式金屬摩擦型無級變速器的密封裝置，除用來防止外界塵埃等浸入軸承外，更重要的是，防止油液外漏。對于閉式無級變速器，如果密封不好，油液不斷外漏將使油池中的油量不斷減少，必然使各部件的正常潤滑受到影響，溫升大大增高，以至不能正常共組。此外，油液的外漏也影響工作場所的清潔衛(wèi)生。 對于工作環(huán)境惡劣和輸出軸轉速很高的變速器，除采用毛氈或皮碗密封之外，還可考慮采用甩油擋板或迷宮密封結構。 此外，由于閉式變速器大多數具有較大的端蓋，油面高度超過止口位置，因此除了注意軸承部件密封之外，對端蓋處的密封問題也必須給予重視，應合理設計端蓋與變速箱體的結合面，同時在接合縫隙處應涂抹密封封膠。 §1.4本文的主要內容及要求 1、比較和選擇合適的方案并進行摩擦式機械無級變速器的計算與結構設計； 設計參數：輸入功率P=1.5kw，輸入轉速n=1400rpm，調速范圍R=9。 設計要求：安裝拆卸要方便；外觀要勻稱，美觀；調速要靈活，調速過程中不能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，能實現(xiàn)動態(tài)無級調速；關鍵部件滿足強度和壽命要求。 2、對關鍵部件進行強度和壽命校核； 3、用CAD繪圖軟件繪制裝配圖及零件圖。 第二章 摩擦無級變速器的機械特性加壓裝置和調速機構 §2.1機械特性 （一）機械特性及其類型 無極變速器在輸入轉速一定的情況下，其輸出軸上的轉矩M2或功率N2與轉速n2的關系稱為機械特性。它常以n2為橫坐標，M2或N2為縱坐標的平面曲線M2=M（n2）或N2=N（n2）來表示。 M2=M（n2）曲線上任一點（如圖2-1中的A點）切線斜率的負值，稱為傳動的機械特性在該工況時的剛度系數k（或傳動剛度） K= - =tan 由上式可見，傳動剛度k也就是輸出轉矩對輸出轉速的變化率，所以若特性曲線上各點的k值愈大，變化率對應也愈大，隨著n2的下降，M2值上升得就愈快。反之n2上升時，M2值下降也愈快。 外界負載轉矩的變化對輸出轉速的影響較小。這種機械特性相對來說就較“硬”。相反地，如果特性曲線上各點的剛度系數很小。則外界負載轉矩很小變動，就足以引起轉速巨大的變動，這種機械特性就很“軟”。 機械無級變速器的機械特性，大致上可以歸納為下列三種： 1.恒功率特性．如圖2-2中的實線所示，其特性是傳動中輸出功率保持不變，即 N2=cM2 n2=常量 式中 c ——有關常數。 圖2-1 機械特性及剛性系數 圖2-2恒功率與恒轉矩機械特性 —————表示恒轉矩機械特性 表示恒功率機械特性 這時，輸出轉矩與輸出轉速呈雙曲線關系，有“硬”的機械特性。特別是在低轉速運轉時，載荷的變化對轉速的影響很小。工作中有很高的穩(wěn)定性，能充分利用原動機的全部功率。 2. 恒轉矩特性．如圖2-2中虛線所示，由于輸出轉矩M2為常量，因此，其輸出功率與輸出轉速成正比變化，剛度系數k=0，只要負載轉矩大于其輸出轉矩時，輸出轉速立即下降，甚至引起打滑和運轉中斷，不能充分利用原動機的輸入功率。 3. 變功率、變轉矩特性．變速其的輸出轉速隨其負載轉矩和功率的變化而變化，其變化規(guī)律復雜多樣，通常以試驗方法來確定。 （二）容許輸出特性 無級變速器的傳動能力受結構強度條件等因素的限制。我們把變速器在調速過程中有強度條件所限定的、變速器所能提供的轉矩（或功率）與輸出轉速的關系稱為容許輸出特性。通常是對變速器的薄弱傳動元件，取其工作應力等于許用應力，按不同位置逐點計算出其所能傳遞的最大轉矩和功率，便可畫出容許輸出特性曲線[M2]=[M](n2)或[N2](n2)。至于實際上輸出了多大的功率和轉矩，則需視具體工作情況而定。 §2.2調速操縱機構 （一）常用操縱機構的型式 調速操縱機構的作用是：根據工作要求以手動或自動控制方式，改變滾動體間的尺寸比例關系，來實現(xiàn)無級調速。同時通過速度表盤上的指針直接指出任一調速位置時的輸出速度（或傳動比）。 1. 通過使?jié)L動體移動來改變工作半徑的。主要用于兩滾動體的母線均為直線的情況，且兩輪的回轉軸線平行或相交，移動的方向是兩輪的接觸線方向。 2. 通過使?jié)L動體的軸線偏轉來改變工作半徑。主要用于兩滾動體之一的母線為圓弧的情況。 §2.3加壓裝置 加壓裝置是影響無級變速器傳動性能與承載能力的關鍵部件，應予正確地設計。 （一）、壓緊力的確定 加壓裝置的任務是使?jié)L動體彼此相互壓緊，并在接觸區(qū)產生恰當的摩擦力： F=fQ=kfP，以傳遞運動和動力。 （二）、加壓裝置的特性，分類及位置配置 1.加壓裝置的特性和分類 加壓裝置所提供的壓緊力與變速器輸出轉速的關系，稱為加壓特性。 變速傳動所需的加壓特性取決于摩擦傳動的形式及其機械特性。通常，它與輸出軸的轉矩，功率，轉速和工作半徑等有關。 （三）、恒壓式加壓裝置 恒壓式加壓裝置的特點是結構簡單，便于布置，能防止過載，但由于其壓緊力是恒定的，為使傳動可靠，壓緊力的大小必須按最大負載來調整，所以滾動體，軸及軸承等始終處于很大的壓緊力作用。對效率和壽命等均不利。 （四）、自動加壓裝置 大多數無級變速器均采用自動加壓裝置，其壓緊力與負載轉矩成反比變化，可減少滑動，提高傳動效率和壽命，便于實現(xiàn)恒功率傳動以充分利用動力，但不能防止過載，因而應設置限制過載的安全聯(lián)軸器等過載保護裝置。即使在自動加壓裝置中，仍應有一剛性適當的彈簧以保持一個經常的預緊力，使其能迅速安全的起動 第三章 摩擦式無級變速器設計說明和計算過程 §3.1摩擦機械無級變速器的工作原理 這種變速器的典型結構如圖3-1.在平行的主，從動軸1和4上分別裝著兩對可分離錐輪8.10和2，3；一個沒有支承的鋼環(huán)9緊套在兩對錐輪之間（當兩軸線在同一水平面上時，環(huán)在重力作用下貼附于兩對錐輪上，而當兩軸線在同一鉛垂平面內時，則應使環(huán)與兩對錐輪間有一定的過盈，以保證一定的預緊力），錐輪2，8與軸4，1用花鍵相聯(lián)，并可在軸上作軸向移動；錐輪3，10則用平鍵固聯(lián)于軸4，1上；依靠鋼環(huán)與錐輪之間的摩擦力將軸1的動力傳給軸4而輸出。 圖3-1 鋼環(huán)分離錐輪式無級變速器 a) 結構圖 b）拉桿局部示意圖 1— 主動軸 2、3—從動錐輪 4—從動軸 5—拉桿 6—調節(jié)套 7—小齒輪 8、10—主動錐輪 9—鋼環(huán) 11、12—銷 13—棘輪 14—止動銷 1.調速時，轉動手輪由小齒輪7帶動調節(jié)套6上的齒條，使6向右（左）移動，通過拉桿5（參見圖3—1b）使錐輪2的支承套帶著2也向右（左）同步移動，這樣使主動側錐輪的工作直徑D1增大（縮?。?，而從動側錐輪的工作直徑D2減?。ㄔ龃螅瑥亩_到變速的目的。 2.鋼環(huán)與主，從動錐輪之間的初始間隙（或過盈），可以通過拉桿5來調節(jié)，調節(jié)時，松開止動銷14，轉動拉桿，其左端的螺紋使錐輪2和8的軸向相對位置發(fā)生變化，當獲得所需的間隙后，將止動銷插入拉桿右端棘輪13的齒間而定位，這種調節(jié)工作在開始調整時進行。 §3.2摩擦無級變速器的特點 鋼環(huán)分離錐輪式無級變速器的特點： （1） 鋼環(huán)具有自動加壓作用，傳動元件與加壓元件合為一體，不需另設加壓裝置，因而結構簡單，緊湊，制造也容易； （2） 對稱調速，可作升速及降速變速傳動，其變速范圍為10（最大可達16）,其極限傳動比為0.3~3.2； （3） 由于錐輪的錐頂與鋼環(huán)內錐頂點不重合，且錐頂距較大，因而幾何滑動較大，傳動效率低（η=0.7~0.85），為了減少幾何滑動與提高傳動效率，常采取點接觸的結構形式； （4） 其機械特性近似于恒功率特性；其傳動功率可達10kw；為了提高承載能力，錐輪以增大當量曲率半徑； （5） 使用時常將其配置在傳動系統(tǒng)的高速級，并讓傳動元件在油中運行； （6） 錐輪及鋼環(huán)均用GCr15制成，工作表面硬度不低于HRC58~64，并經磨制，表面光潔度在8以下。 §3.3錐輪的設計與計算 （1） 材料的選取. 由于鋼環(huán)和錐輪都需要一定的強度和硬度，且兩者相對滑動較大，查機械設計手冊得鋼環(huán)和錐輪均用GCr15，表面硬度HRC58~64，摩擦系數f=0.04；查材料力學得，許用接觸應力：點接觸[σj]=22000kgf/cm2 線接觸[σ]=18000kgf/cm2 。主，從動軸采用45鋼，經調質處理。 表3-1 閉式傳動中許用接觸應力[σj]值 查《機械無級變速器》書，預選有關參數如下：Cr=1.90，c=0.9,Ψ=3.0，錐頂角=120度。 （2）按點接觸情況計算錐輪最小工作直徑Dmin。 cosθ= ==0.6175 按cosθ=0.617591查《機械無級變速器》書表中（1-2）得(αβ)-1≈0.90 表3-2 cos的數值 代入式 Dmin≥184408αβσj3kfpfnRb2cRb-1cosα+1cCr2cm 得： ——傳動可靠系數，取=1.25 (3)按線接觸情況計算Dmin . cm Dmin 比較（2）和(3)計算結果，圓整取Dmin=2.5cm，則對于點接觸情況強度足有富余，對于線接觸情況則強度仍能滿足，這也這不會導致對傳動帶來損壞。 (4)錐輪最大工作直徑Dmax的確定. Dmax== (5)錐輪錐頂角2α=的確定. 取2α=120度 (6)主，從動錐輪之間中心距a的確定. a=（1.15~1.25）Dmax=1.2*7.5=9 (7)錐輪與鋼環(huán)之間工作長度b的確定. b===0.4811cm 圓整為0.5cm (8)錐輪小端直徑Di的確定. Di=Dmin-bsin=2.5-0. 5*sin60=2.067cm 圓整為2.2cm (9)錐輪大端直徑De的確定. De=Dmax+bsin=7.5+0. 5*sin60=7.933cm 圓整為8.0cm (10)錐輪的零件圖. 圖3-2 固定錐輪零件圖 §3.4鋼環(huán)的設計與計算 3.4.1、鋼環(huán)尺寸和參數的確定 1）鋼環(huán)工作直徑的確定 ，圓整為14 cm 2）鋼環(huán)工作寬度的確定 ，圓整為3 cm 3）鋼環(huán)寬度的確定 ，取B=3.5 cm 4）鋼環(huán)厚度的確定 ，取h=3.2cm 5）點接觸時鋼環(huán)接觸區(qū)的圓弧半徑的確定 ，圓整為12cm 6）鋼環(huán)內經的確定 ，取內徑 7）鋼環(huán)外徑的確定 8）鋼環(huán)剖面積的確定 ，圓整為12cm 9）鋼環(huán)剖面重心的回轉半徑的確定 10）中性層所在半徑的確定 11）重心至中性層的距離的確定 12）內周至中性層的距離的確定 13）外周至中性層的距離的確定 14）錐輪及剛環(huán)的工作圖 圖3-3 可移動錐輪零件圖 15）剛環(huán)零件圖 圖3-4 鋼環(huán)零件圖 1.GC15滲碳淬火HRC63. 2.與錐輪接觸的上、下兩面的接觸圈的不平行度允差為0.02，不同心度允差為0.01. 3.不準有微觀裂痕. 3.4.2、強度驗算 這種變速器的輸出功率輸出隨輸出轉速的增高而增大，但輸出轉速則有所下降，是變功率，變轉矩的變速傳動，應按（Q）的位置進行計算。 1） 鋼環(huán)內周的正壓力 于是得 2）鋼環(huán)外周的正應力 3）鋼環(huán)接觸外剖面內的最大應力 4）鋼環(huán)許用應力 [σ]= 式中：σs——材料屈服限，鋼環(huán)材料同樣選用GCr15鋼 s=380~420N/mm2 [S]——許用安全系數，取[S]=2 于是算得：[σ]=200N/mm2 可見鋼環(huán)剖面內各處的工作應力均小于許用應力，故強度足夠。 §3.5軸系的設計 1、輸入軸的轉矩 2、初步確定輸出軸的最小直徑 根據式 選取軸的材料為45鋼，調質處理，查《機械設計》表15-3，取Ao=112。 得dmin ==12mm，所以取軸的最小直徑為12m設計時小端直徑選14mm，按12mm直徑校核滿足。 輸出軸的最小直徑是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑。為了使所選軸直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應，故需同時選取聯(lián)軸器型號。 聯(lián)軸器的計算轉矩Tca=KA T，查表14-1，考慮到轉矩變化很小，故取KA =1.3 則： Tca=1.3*10232=13302 N 按照計算轉矩Tca應小于連軸器公稱轉矩的條件，查標準GB/T5014-2003或手冊選用HL4型彈性柱銷聯(lián)軸器。 §3.6軸的結構設計 1、為了滿足本聯(lián)軸器的軸向定位要求，從左至右一次編段為Ⅰ—Ⅱ軸段右端需制出一軸肩，故取Ⅱ—Ⅲ段的直徑 dⅡ-Ⅲ =17mm；左端用軸端擋圈定位，接軸端直徑取擋圈直徑D=19mm ，Ⅰ—Ⅱ段長度取lⅠⅡ=150mm。 2、初步選擇滾動軸承。因軸承受有徑向力的作用，所以選定深溝球軸承，根據dⅡⅢ =17mm，由軸承產品目錄中初步選取0基本游隙組，標準精度級的深溝球軸承6005，其尺寸為19×39 mm，故dⅢ-Ⅳ=19mm，而lⅢ-Ⅳ=11mm。右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。由手冊查得6005型軸承的定位軸肩高度h=3mm，dⅣ-Ⅴ=24mm。 3、軸的剩余各段長度和直徑確定 然后根據各個錐輪的尺寸確定剩余尺寸 lⅡⅢ=115mm，lⅢⅣ=20mm，lⅣⅤ=21mm，lⅤⅥ=60mm。=26mm 圖3-5 軸的零件圖 第四章 主要零件的校核 §4.1輸出、輸入軸的校核 1、彎矩扭合成應力校核軸端強度第一許用公式 =17.8MPa 前已經選定軸的材料為45鋼，調制處理，由表查得。 所以，故安全。 2、精確校核軸的疲勞強度 截面A，B只受扭矩作用，雖然鍵槽，肩軸及過度配合所引起的應力集中均將削弱軸的疲勞強度，但是由